Квантовая теория строения атомов

Строение атома

Квантовая теория строения атомов

Строениеатома

Первые указанияо сложном строении атома были по­лученыпри изучении процессов прохожденияэлектриче­ского тока через жидкостии газы. Опыты выдающегося английскогоученого М. Фарадея в 30-х гг.XIX в. навелина мысль о том, что электричествосуществует в виде отдельных единичныхзарядов.

Величины этихединичных зарядов электричества бы­лиопределены в более поздних экспериментахпо пропус­канию электрического токачерез газы (опыты с так назы­ваемымикатодными лучами). Было установлено,что ка­тодные лучи— это потокотрицательно заряженных частиц, которыеполучили название электронов.

Прямым доказательствомсложности строения атома было открытиесамопроизвольного распада атомовнеко­торых элементов, названноерадиоактивностью.В1896 г.французский физик А. Беккерель обнаружил,что мате­риалы, содержащие уран,засвечивают в темноте фото­пластинку,ионизируют газы, вызывают свечениефлюо­ресцирующих веществ.

В дальнейшемвыяснилось, что этой способностьюобладает не только уран. Титаническиеусилия, связанные с переработкой огромныхмасс урано­вой смоляной руды, позволилиП. Кюри и М. Склодовской-Кюри открытьдва новых радиоактивных элемента:полоний и радий. Последовавшее за этимустановление природы ,-и -лучей,образующихся при радиоактив­номраспаде (Э. Резерфорд,1899—1903гг.

), открытие ядер атомов диаметром10-6нм, занимающих незначи­тельную долюобъема атома (Э. Резерфорд,1909— 1911гг.),определение заряда электрона (Р. Милликен,1909—1914гг.) и доказательство дискретности егоэнер­гии в атоме (Дж. Франк, Г. Герц,1912 г.),открытие того факта, что заряд ядраравен номеру элемента (Г. Мозли, 1913г.), и, наконец, открытие протона (Э.Резерфорд, 1920г.

) и нейтрона (Дж. Чедвик,1932 г.)позволили предложить следующую модельстроения атома:

1.В центре атома находится положительнозаряжен­ное ядро,занимающее ничтожную часть пространствавнутри атома.

2.Весь положительный заряд и почти всямасса атома сосредоточены в его ядре(масса электрона равна l/1823а.е.м.).

3.Ядра атомов состоят из протонови нейтронов(общееназвание— нуклоны).Число протонов в ядре равно порядковомуномеру элемента, а сумма чисел про­тонови нейтронов соответствует его массовомучислу.

4.Вокруг ядра вращаются электроны.Их число равно положительному зарядуядра (см. табл.1).

Таблица1.Свойства элементарных частиц, образующихатом

ЧастицаЗарядМасса
Клусловн.ед.га.е.м.
Электрон-1,6 • 10-19-19,1 • 10-280.00055
Протон1,6 • 10-19+11,67 • 10-241,00728
Нейтрон001,67 • 10-241,00866

Различные видыатомов имеют общее название— нуклиды.Нуклиды достаточно характеризоватьлюбыми двумя числами из трех фундаментальныхпараметров:

А массовоечисло,Z зарядядра, равный числу про­тонов, иN— числонейтронов в ядре. Эти параметры свя­занымежду собой соотношениями:

Z = A – N, N = A – Z, A = Z + N

Нуклиды с одинаковымZ,но различными АиN,назы­вают изотопами.

Данная модельстроения атома получила названиепланетарноймодели Резерфорда.Она оказалась очень наглядной и полезнойдля объяснения многих экспери­ментальныхданных. Но эта модель сразу же обнаружилаи свои недостатки.

В частности, электрон,двигаясь вокруг ядра с ускорением (нанего действует центростре­мительнаясила), должен был бы, согласноэлектромаг­нитной теории, непрерывноизлучать энергию. Это приве­ло бы кнарушению равновесия между электрономи яд­ром. Электрон, постепенно теряясвою энергию, должен был бы двигатьсявокруг ядра по спирали и в конце кон­цовнеизбежно упасть на него.

Никакихдоказательств то­го, что атомынепрерывно исчезают, не было (всенаблю­даемые явления говорят как разоб обратном), отсюда сле­довало, чтомодель Резерфорда в чем-то ошибочна.

Теория Бора.В1913 г. датскийфизик Н. Бор предло­жил свою теориюстроения атома. При этом Бор не отбра­сывалполностью старые представления остроении атома:

как и Резерфорд,он считал, что электроны двигаютсяво­круг ядра подобно планетам,движущимся вокруг Солн­ца, однако воснову новой теории были положены дване­обычных предположения (постулата):

1.Электронможет вращаться вокруг ядра не попроизвольным, а только по строгоопределенным (ста­ционарным) круговыморбитам.Радиус орбиты г и ско­рость электронаuсвязаны квантовым соотношением Бора:

mur= n ħ,

где т массаэлектрона, n— номерорбиты,ħ— посто­яннаяПланка(h= 1,05 •10-34Дж• с).

2.Придвижении по этим орбитам электрон неиз­лучает и не поглощает энергию.

Такимобразом. Бор предположил, что электронв атоме не подчиняется законам классическойфизики. СогласноБору, излучение или поглощение энергииопре­деляется переходом из одногосостояния, например с энергией Е1.

в другое—с энергией Е2,что соответствует переходу электронас одной стационарной орбиты на дру­гую.

При таком переходе излучается илипоглощается энергия Е,величина которой определяетсясоотноше­нием

Е=Е1Е2=hv

гдеv—частота излучения,h=2ħ= 6,62 •10-34Дж•с.

Бор,используяэтоуравнение,рассчитал частоты ли­ний спектраатома водорода, которые очень хорошосогла­совывались с экспериментальнымизначениями.

Такое же согласие теории иэксперимента было получено и для многихдругих атомов элементов, но былообнаружено также и то, что для сложныхатомов теория Бора не дава­лаудовлетворительных результатов.

ПослеБора многие ученые пытались усовершенствоватьего теорию, но все усовершенствованияпредлагались исходя из тех же зако­новклассической физики.

Квантоваятеория строения атома.В последующие годы некоторые положениятеории Бора были переосмыс­лены,видоизменены, дополнены. Наиболеесуществен­ным нововведением явилосьпонятие об электронном об­лаке, котороепришло на смену понятию об электронетолько как частице. На смену теории Борапришла кван­товая теория строенияатома, которая учитывает волно­выесвойства электрона.

Воснове современной теории строенияатома лежат следующие основные положения:

1.Электронимеет двойственную (корпускулярно-волновую)природу.Он может вести себя и как частица, и какволна: подобно частице, электрон обладаетопреде­ленной массой и зарядом; в тоже время движущийся поток электроновпроявляет волновые свойства, напри­мерхарактеризуется способностью к дифракции.Длина волны электрона и его скоростьuсвязаны соотношени­ем де Бройля:

=h/mu

где т массаэлектрона.

2.Для электронаневозможно одновременно точно измеритькоординату и скорость.Чем точнее мы изме­ряем скорость, тембольше неопределенность в координа­те,и наоборот. Математическим выражениемпринципа неопределенности служитсоотношение

хтu>ħ /2

где х—неопределенность положения координаты,u— погрешностьизмерения скорости.

3.Электрон ватоме не движется по определеннымтраекториям, а может находиться в любойчасти око­лоядерного пространства,однако вероятность его нахож­денияв разных частях этого пространстванеодинакова. Пространство вокруг ядра,в котором вероятность нахож­денияэлектрона достаточно велика, называюторбиталъю.

Эти положениясоставляют суть новой теории, описы­вающейдвижение микрочастиц,— квантовоймеханики. Наибольшийвклад в развитие этой теории внеслифран­цуз Л. де Бройль, немец В. Гейзенберг,австриец Э. Шре-дингер и англичанин П.Дирак.

Квантовая механикаимеет очень сложный матема­тическийаппарат, поэтому сейчас нам важны лишьте следствияквантово-механической теории, которыепомо­гут нам разобраться в вопросахстроения атома и молеку­лы, валентностиэлементов и т. п.

С этой точки зрениянаиболее важным следствием из квантовоймеханики является то, что всясовокупность сложных движений электронав атоме описывается пятью квантовымичислами:главным п,побочнымl,магнитным mi,спиновымs и проекциейспина тs.

Что же представляют собой квантовыечисла?

Квантовые числаэлектронов.Главноеквантовое чис­ло попределяет общую энергию электрона наданной орбитали. Оно может приниматьлюбые целые значения, начиная с единицы(п= 1,2, 3,…).Под главным кванто­вым числом, равным,подразумевают, что электрону со­общенаэнергия, достаточная для его полногоотделения от ядра (ионизация атома).

Кроме того,оказывается, что в пределах определен­ныхуровней энергии электроны могутотличаться своими энергетическимиподуровнями.

Существование различий в энергетическомсостоянии электронов, принадлежащих кразличным подуровням данногоэнергетического уров­ня, отражаетсяпобочным(иногда его называют орби­тальным)квантовым числомl.

Это квантовое число может приниматьцелочисленные значения от0 до n- 1 {l= 0,1,…, п1). Обычночисленные значенияlпринято обозначать следующими буквеннымисимволами:

Значение l 0 1 2 3 4

Буквенное обозначение s p d f g

В этом случаеговорят оs-, p-,d-, f-,g-состоянияхэлектро­нов, или оs-,p-,d-,f-,g-орбиталях.

Орбитальсовокупность положений электрона ватоме, т. е. область пространства, вкоторой наиболее вероятно нахождениеэлектрона.

Побочное(орбитальное) квантовое числоlхаракте­ризует различное энергетическоесостояние электронов на данном уровне,определяет форму электронного обла­ка,а также орбитальный моментp— моментимпульса электрона при его вращениивокруг ядра (отсюда и второе названиеэтого квантового числа— орбитальное)

Таким образом,электрон, обладая свойствами части­цыи волны, с наибольшей вероятностьюдвижется вокруг ядра, образуя электронноеоблако, форма которого вs-,p-,d-,f-,g- состоянияхразлична.

Рис.1.Форма электронного облакаs-орбитали

Еще раз подчеркнем,что форма электронного облака зависитот значения побочного квантового числаl.Так, еслиl= 0 (s-орбиталь),то электронное облако имеет сфе­рическуюформу (шаровидную симметрию) и не обладаетнаправленностью в пространстве (рис.1).

Приl= 1 (р-орбиталь)электронное облако имеет фор­мугантели, т. е. форму тела вращения,полученного из «восьмерки» (рис.2). Формыэлектронных облаковd-,f-,g-электроновнамного сложнее.

Рис.2. Формыэлектронных облаков р-орбиталей

Движениеэлектрического заряда (электрона) позам­кнутой орбите вызывает появлениемагнитного поля.

Со­стояние электрона,обусловленное орбитальным магнит­ныммоментом электрона(в результатеего движения по орбите), характеризуетсятретьим квантовым числом— магнитнымтi.

Это квантовое число характеризуеториентацию орбитали в пространстве,выражая проек­цию орбитального моментаимпульса на направление маг­нитногополя.

Соответственноориентации орбитали относительнона­правления вектора напряженностивнешнего магнитного поля магнитноеквантовое число тi может принимать значения любых целыхчисел, как положительных, так иотрицательных, от-lдо+l,включая0, т. е. всего(2l+1) значений.Например, приl= 0 тi,= 0; приl= 1 mi=-1, 0, +1; приl= 3, например,магнитное квантовое число может иметьсемь(2l+ 1=7) значений:-3, -2, -1, 0,+1, +2, +3.

Таким образом, miхарактеризует величину проекции вектораорбитального момента количества движенияна выделенное направление.

Например,р-орбиталь («ган­тель») в магнитномполе может ориентироваться в про­странствев трех различных положениях, так как вслу­чаеl= 1 магнитноеквантовое число может иметь три зна­чения:-1, 0, +1.

Поэтому электронные облака вытянутыпо координатным осям х.у я г, причемось каждого из них перпендикулярна двумдругим (рис.2).

Для полногообъяснения всех свойств атома в1925 г.

былавыдвинута гипотеза о наличии у электронатак на­зываемого спина(сначала в самом простом приближе­нии— длянаглядности— считалось,что это явление аналогично вращениюЗемли вокруг своей оси при движе­нииее по орбите вокруг Солнца).

Спин эточисто квантовое свойство электрона, неимеющее классиче­ских аналогов.Строго говоря, спин этособственный момент импульса электрона,не связанный с движени­ем в пространстве.

Для всех электронов абсолютное зна­чениеспина всегда равноs=1/2.Проекция спина на ось z(магнитноеспиновое число ms,)может иметь лишь два значения: тs= + 1/2или тs= — 1/2.

Поскольку спинэлектронаs являетсявеличиной по­стоянной, его обычно невключают в набор квантовых чи­сел,характеризующих движение электрода ватоме, и го­ворят о четырехквантовых числах.

Источник: https://studfile.net/preview/6673165/

ПОИСК

Квантовая теория строения атомов
    Обобщения. Квантовая теория строения атома дает глубокое обоснование закону Менделеева. Разработанная им периодиче- [c.53]

    Глава 8. Квантовая теория строения атома [c.573]

    В последующие годы некоторые положения теории Бора были переосмыслены, видоизменены, дополнены. Наиболее существенным нововведением явилось понятие об электронном облаке, которое пришло на смену понятия об электроне только как частице (см.» 3). На смену теории Бора пришла квантовая теория строения атома, которая учитывает волновые свойства электрона. [c.40]

    Квантовая теория строения атома [c.328]

    Квантовая теория строения атома. В основе современной теории строения атома квантовой механики атома) лежат следующие основные положения  [c.87]

    Согласно представлениям квантовой теории строения атома, максимальная ковалентность азота считается равной четырем. Говоря о пятивалентном [c.465]

    Н. Бор, предложивший первую квантовую теорию строения атома (1913). [c.5]

    В первоначальном варианте таблицы Д. И. Менделеева элементы располагались в порядке возрастания атомных масс и группировались по сходству химических свойств.

Объяснение периодическому закону и структуре периодической системы в дальнейшем было дано на основе квантовой теории строения атома.

Оказалось, что последовательность расположения элементов в таблице определяется зарядом ядра, а периодичность физико-химических свойств связана с существованием электронных оболочек атома, постепенно заполняющихся с возрастанием 2. [c.33]

    За 100 лет, прошедших с того момента, как Бутлеров высказал идею о связи между химическими свойствами соединений (реакционной способностью) и их строением, в химии был накоплен огромный опытный материал на примере разнообразных соединений и классов реакций, иллюстрирующий и подтверждающий правильность идеи Бутлерова. Попытки обобщений этого материала и теоретической интерпретации установленных на опыте закономерностей предпринимались Вант-Гоффом, Оствальдом, Дж. Томсоном, Косселем на основе электронных представлений и электрической теории строения атома и далее Полингом, Коулсоном и другими — на основе квантовой теории строения атомов и молекул. В результате этих попыток наметились пути, на которых отдельные вопросы связи реакционной способности и строения химических соединений получили неко- [c.293]

    Как известно из квантовой теории -строения атома, положение энергетических уровней атома определяется главным квантовым числом п. /(-уровню соответствует /г==1, -уровню — п = 2 и т. д. Энергия [c.144]

    Работы Резерфорда дают общие качественные представления о строении атомов. Количественные результаты могут быть получены изучением спектров с помощью теории квантов.

Основы квантовой теории строения атома были даны Бором (1913) и представляют собой один из самых замечательных успехов современной науки.

Позже основные выводы Бора были подтверждены квантовой механикой. [c.85]

    Э. Резерфорд допускал, что электрон движется вокруг ядра подобно, например, тому, как Земля движется вокруг Солнца, т. е. по обычным законам механики, тогда как согласно классической электронной теории ускоренно движущийся электрон должен излучать энергию в виде электромагнитных волн. Вследствие такого излучения энергия электрона все время уменьшалась бы, движение его замедлялось и он, постепенно приближаясь к ядру и исчерпав энергию, упал бы на него, что привело бы к прекращению излучения электромагнитных волн. На это потребовалось бы, как показывают расчеты, доли секунды. Но этого не происходит атомы устойчивые системы (радиоактивный распад атомов не принимается во внимание). Кроме того, поскольку скорость движения электрона должна бы непрерывно уменьшаться, то длины электромагнитных волн должны меняться непрерывно и вещества должны бы давать сплошной спектр излучения. На самом же деле спектр света, испускаемого раскаленными парами и газами, имеет линейчатый характер. Указанные противоречия между теорией Э. Резерфорда о строении атома и действительной его природой устраняются квантовой теорией строения атома. [c.52]

    Исходя из квантовой теории излучения и планетарных представлений на природу атома, Н. Бор создал квантовую теорию строения атома, сформулированную им в виде постулатов. [c.53]

    В 1913 Г. Бор предложил первую квантовую теорию строения атома. [c.25]

    Бор — глава крупной научной школы в области теоретической фи.чики, автор нсрвоня-чальной квантовой теории строения атома (191 1—1916 гг.), послужившей исходным пунктом современной квантовомеханической теории строения атома в 1913 г.

установил принцип соответствия между классическими и кванто-пыми представлениями ему принадлежат также работы по теоретическому объясиеинк.1 периодического закона Д. И. Менделеева и по теории атомного ядра. В 1922 г, награжден Нобелевской премией. С 1929 г.

— иностранный член Академии иаук СССР. [c.68]

    Следующий этап в становлении квантовой теории строения атома начался с теоретического обоснования французским ученым де Бройлем двойственной природы материальных частиц, в частности электрона. Распространив идею Эйнштейна о двойственной природе света на вещество, де Бройль постулировал (1924 г.

), что поток электронов наряду с корпускулярным характером обладает и волновыми свойствами.

Исходя 1i3 учения о корпускулярноволновой природе частиц вещества, австрийский физик Шрёдингер и ряд других ученых разработали теорию движения микрочастиц — волновую механику, которая привела к созданию современной квантово-механической модели атома. [c.77]

    Спектры атомов щелочпых металлов, обладающих одним внешним (оптическим) электроном сверх заполненных оболочек, схожи со спектром атома водорода, но смещены в область меньших частот.

Число спектральных серий увеличивается, а закономерности в расположении линий описываются формулами, более сложными, чем формула (1). Число серий увеличивается вдвое для атомов с двумя вн( шними электронами (Не, щелочноземельные металлы Zn, d и Hg).

Спектры еще усложняются для атомов, обладающих тремя и более внешними электронами. Особенно сложны спектры атомов с достраивающимися d-оболоч-ками (напр., спектр Fe) и /-оболочками, состоящие из сотен и тысяч линий.

Истолкование спектров мно-гоэлектронных атомов представляет трудную задачу, к-рая решается на основе квантовой теории строения атома. [c.163]

    Нильс Бор, опираясь на развитую им квантовую теорию строения атома, в вопросе об элементе 72 занял первоначальную позицию Менделеева. Число редкоземельных элементов на основе теории строения атома должно быть равным 14.

Следовательно, порядковый номер последнего редкоземельного элемента должен быть равен 71 (см. табл. 12). Тогда элемент 72 должен быть аналогом циркония и относиться к IV грз ппе периодической системы. В 1923 г. датские химики Д. Костер и Г.

>1эвеши, руководствуясь указаниями Бора, обнаружили элемент 72 в норвежской циркониевой руде. Новый элемент был назван гафнием (Н ). [c.43]

    Не меньшую дискуссию вызвало размещение редкоземельных элементов. Сам Д. И. Менделеев окончательно не решил этот вопрос. В частности, он рассматривал церий как элемент четвертой группы. Остальные редкоземельные элементы Д. И. Менделеев пытался расположить в различных группах (третьей, четвертой, пятой) пятого и шестого периодов.

Вопрос о размещении редкоземельных элементов был решен Н. Бором на основе квантовой теории строения атомов. Из системы квантовых чисел (см. табл. 12) вытекает, что число возможных орбиталей для размещения электронов 4/-уровня не превышает 14..

Поскольку атомы редкоземельных элементов строятся таким образом, что у них в конечном счете происходит построение 4/-орбиталей, то число соответствующих элементов должно быть равным 14.

Исследование строения атомов редкоземельных элементов (с применением оптических методов) показало, что внешние орбитали у них аналогичны Следовательно, все эти элементы являются аналогами и должны быть отнесены к одной и той же группе периодической системы — к третьей.

Строение лантана, гадолиния и лютеция характеризуется наличием Бй-орбитали, электронные формулы этих элементов имеют вид 4/ 5 5526р 6з . Определение зарядов ядер лантана и 14 редкоземельных элементов окончательно подтвердили размещение их под атомными номерами 57—71 в третьей группе шестого периода. Несмотря на это, некоторые авторы до сих пор пытаются распределить редкоземельные элементы между различными группами периодической системы. [c.53]

    Н I л ь е г е н р и к Давид Бор (1885 — 1962) — датский физик, иностранный член Академип наук СССР. Бор создал первоначальную квантовую теорию строения атомов, молекул, атомных ядер.

Он впервые в истории пауки сумел рассчитать свойства атома. Этнм атомом был атом водорода. Развивая свою теорию, Бор дал теоретическое объяснение периодического закона Д. И. Менделеева [c.

23]

    Бов Иияьс (1885—1963) — датский физик, один из создателей квантовой теории строения атома, лауреат Нобелевской пре-мии. [c.25]

Источник: https://www.chem21.info/info/1460515/

История развития представлений о строении атома

Квантовая теория строения атомов

Все тела живой и неживой природы, несмотря на их разнообразие, состоят из мельчайших частиц — атомов. Первым, кто высказал предположение об этом, считается древнегреческий философ Демокрит. Именно он назвал атомом мельчайшую неделимую частицу образующую вещество (атом в переводе с др.греч «неделимый»). Лишь в конце XIX в.

были сделаны открытия, показавшие сложность строения атома, что атомы разлагаются на более мелкие элементарные частицы и таким образом «атомами» в Демокритовском смысле не являются.

Тем не менее, термин используется и теперь в современной химии и физике, несмотря на несоответствие его этимологии современным представлениям о строении атома.

Первые представления об атоме

Демокрит считал, что если разделить, например, яблоко на две половины, затем одну из них еще на две части, и продолжать деление таким образом до тех пор пока результат деления перестанет быть яблоком, то мельчайшая частица которая все еще сохраняет свойство яблока является атомом яблока (т.е. неделимой частью яблока).

Он утверждал, что атомы существуют вечно; они настолько малы, что их размеры не поддаются измерению; все атомы одинаковы, но они различаются внешне (атомы воды, например, гладкие, они способны перекатываться, и поэтому жидкости свойственна текучесть; атомы железа имеют зубчики, которыми они зацепляются друг за друга, что придает железу свойства твердого тела).

Представления Демокрита были умозрительными.

Группу греческих философов, придерживавшихся того взгляда, что существуют подобные крошечные неделимые частицы, называли атомистами.

  Атоми́зм — натурфилософская теория, согласно которой чувственно воспринимаемые (материальные) вещи состоят из химически неделимых частиц — атомов. (В современной физике вопрос об атомизме является открытым.

Некоторые теоретики придерживаются атомизма, но под атомами подразумевают фундаментальные частицы, которые далее неделимы).

Основы атомной теории строения вещества

В 1808 г. физик Дальтон Джон (1766–1844) возродил атомизм, доказал реальность существования атомов. Он писал: «Атомы — химические элементы, которые нельзя создать заново, разделить на более мелкие частицы, уничтожить путем каких-либо химических превращений.

Любая химическая реакция просто изменяет порядок группировки атомов».

Джон Дальтон ввёл понятие «атомный вес», первым рассчитал атомные веса (массы) ряда элементов и составил первую таблицу их относительных атомных весов, заложив тем самым основу атомной теории строения вещества.

Дальтон был одним из самых знаменитых и уважаемых учёных своего времени, ставший широко известным благодаря своим новаторским работам в разных областях знания.

Он впервые (1794) провёл исследования и описал дефект зрения, которым страдал сам, — цветовая слепота, позже названный в его честь дальтонизмом; открыл закон парциальных давлений (закон Дальтона) (1801), закон равномерного расширения газов при нагревании (1802), закон растворимости газов в жидкостях (закон Генри-Дальтона). Установил закон кратных отношений (1803), обнаружил явление полимеризации (на примере этилена и бутилена).

Однако вопрос о внутреннем строении атомов даже не возникал, так как атомы считались неделимыми.

В 1897 г. английский физик Дж. Томсон изучая катодные лучи, пришел к выводу, что атомы любого вещества содержат отрицательно заряженные частицы, которые он назвал электронами. Огромной заслугой Томсона явилось доказательство того, что все частицы, образующие катодные лучи, тождественны друг другу и входят в состав вещества. Он предложил первую модель атома — «пудинг с изюмом» 1904 г.

По мысли Томсона, положительный заряд атома занимает весь объем атома и распределен в этом объеме с постоянной плотностью,в положительно заряженной сфере находится несколько электронов, так что атом подобен кексу, в котором роль изюминок играют электроны.

Ядерная модель атома (планетарная)

Резерфорд бомбардировал α-частицами атомы тяжелых элементов (золото, серебро, медь и др.). α-частицы – это полностью ионизированные атомы гелия. Электроны, входящие в состав атомов, вследствие малой массы не могут заметно изменить траекторию α-частицы. Рассеяние, то есть изменение направления движения α-частиц, может вызвать только тяжелая положительно заряженная часть атома.

Было обнаружено, что большинство α-частиц проходит через тонкий слой металла, практически не испытывая отклонения. Однако небольшая часть частиц отклоняется на значительные углы, превышающие 30°. Очень редкие α-частицы (приблизительно одна на десять тысяч) испытывали отклонение на углы, близкие к 180°.

Этот результат был совершенно неожиданным даже для Резерфорда. Он находился в резком противоречии с моделью атома Томсона, согласно которой положительный заряд распределен по всему объему атома. При таком распределении положительный заряд не может создать сильное электрическое поле, способное отбросить α-частицы назад.

Эти соображения привели Резерфорда к выводу, что атом почти пустой, и весь его положительный заряд сосредоточен в малом объеме. Эту часть атома Резерфорд назвал атомным ядром. Так возникла ядерная модель атома (планетарная):1.

В центре атома находится положительно заряженное ядро, занимающее ничтожную часть пространства внутри атома.2. Весь положительный заряд и почти вся масса атома сосредоточены в его ядре (масса электрона равна 1/1823 а.е.м.).

3. Вокруг ядра вращаются электроны.

Их число равно положительному заряду ядра.

Но на основе этой модели нельзя объяснить факт существования атома, его устойчивость. Ведь движение электронов по орбитам происходит с ускорением, причем весьма немалым. Ускоренно движущийся электрон по законам электродинамики должен терять энергию и приближаться к ядру.

Как показывают расчеты, основанные на механике Ньютона и электродинамике Максвелла, электрон за ничтожное время должен упасть на ядро. Атом должен прекратить свое существование. В действительности ничего подобного не происходит.

Атомы устойчивы и в невозбужденном состоянии могут существовать неограниченно долго, совершенно не излучая электромагнитные волны.

Не согласующийся с опытом вывод о неизбежной гибели атома вследствие потери энергии на излучение — это результат применения законов классической физики к явлениям, происходящим внутри атома. Отсюда следует, что к явлениям атомных масштабов законы классической физики неприемлемы.

Датским физик Нильс Бор (1885 — 1962) считал что поведение микрочастиц нельзя описывать теми же законами, что и макроскопических тел.
Бор предположил, что величины характеризующие микромир, должны квантоваться, т.е. они могут принимать только определенные дискретные значения.

Законы микромира — квантовые законы!  Эти законы в начале 20 столетия еще не были установлены наукой. Бор сформулировал их в виде трех постулатов. дополняющих ( и «спасающих») атом Резерфорда.

Его теория впоследствии привела к созданию стройной теории движения микрочастиц — квантовой механики.

Первый постулат Бора гласит: атомная система может находиться только в особых стационарных, или квантовых, состояниях, каждому из которых соответствует определенная энергия E. В стационарном состоянии атом не излучает.

Согласно второму постулату Бора излучение света происходит при переходе атома из стационарного состояния с большей энергией в стационарное состояние с меньшей энергией.

Энергия излученного фотона равна разности энергий стационарных состояний.

Квантовая теория строения атома

Теорию Бора сменила квантовая теория, которая учитывает волновые свойства электрона и других элементарных частиц, образующих атом.

В основе современной теории строения атома лежат следующие основные положения:

1. Электрон имеет двойственную (корпускулярно-волновую) природу. Он может вести себя и как частица, и как волна, подобно частице, электрон обладает определенной массой и зарядом; в то же время, движущийся электрон проявляет волновые свойства, например, характеризуется способностью к дифракции. Длина волны электрона λ и его скорость v связаны соотношением де Бройля:

λ = h / mv,    где m — масса электрона.

2. Для электрона невозможно одновременно точно, измерить координату и скорость. Чем точнее мы измеряем скорость, тем больше неопределенность в координате, и наоборот. Математическим выражением принципа неопределенности Гейзенберга служит соотношение

∆x∙m∙∆v > ћ/2,
где ∆х — неопределенность положения координаты, ∆v — погрешность измерения скорости.

3. Электрон в атоме не движется по определенным траекториям, а может находиться в любой части около ядерного пространства, однако вероятность его нахождения в разных частях этого пространства неодинакова. Пространство вокруг ядра, в котором вероятность нахождения электрона достаточно велика, называют орбиталью.

4. Ядра атомов состоят из протонов и нейтронов (общее название — нуклоны). Число протонов в ядре равно порядковому номеру элемента, а сумма чисел протонов и нейтронов соответствует его массовому числу.

Последнее положение было сформулировано после того, как в 1920 г. Э.Резерфорд открыл протон, а в 1932 г. Дж.Чедвик — нейтрон.

Различные виды атомов имеют общее название — нуклиды. Нуклиды достаточно характеризовать любыми двумя числами из трех фундаментальных параметров: А — массовое число, Z — заряд ядра, равный числу протонов, и N — число нейтронов в ядре. Эти параметры связаны между собой соотношениями:

Z = А — N,N = А — Z,

А= Z + N.

Нуклиды с одинаковым Z, но различными А и N, называют изотопами.

Сформулированные выше положения составляют суть новой теории, описывающей движение микрочастиц, — квантовой механики (механику, применимую к движению обычных тел и описываемую законами Ньютона, стали называть классической механикой). Наибольший вклад в развитие этой теории внесли француз Л. де Бройль, немец В.Гейзенберг, австриец Э.Шредингер, англичанин П.Дирак. Впоследствии каждый из этих ученых был удостоен Нобелевской премии.

Квантовая механика — математически очень сложная теория. Но главная трудность не в этом. Процессы, которые описывает квантовая механика, — процессы микромира — недоступны не только восприятию нашими органами чувств, но и воображению.

Люди лишены возможности представить их себе наглядно в полной мере, так как они совершенно отличны от тех макроскопических явлений, которые человечество наблюдало на протяжении миллионов лет.

Человеческое воображение не создает новые, а лишь комбинирует известные, поэтому практически невозможно на нашем макроскопическом языке описать поведение фотонов и других частиц.

См. также Современная теория строения атома 

Источник: http://himege.ru/stroenie-atoma/

Квантовая теория строения атомов. Спин микрочастиц

Квантовая теория строения атомов

Параллельно развитию представлений о корпускулярно-волновом дуализме материи в физике развивалось другое направление, также способствовавшее созданию квантовой механики. Речь идет о теории строения атомов. В результате опытов Э. Резерфорда (англ., Нобелевская премия по химии 1908 г.

) по рассеянию -частиц атомами металлической пленки (1911 г.) в физике была принята планетарная модель строения атома.

Согласно этой модели, в центре атома находится маленькое положительно заряженное ядро, в котором сосредоточена почти вся масса атома; вокруг ядра по орбитам вращаются отрицательно заряженные электроны.

Атомные ядра элемента с порядковым номером Z в таблице Менделеева имеют заряд , где e=1.6·10-19 Кл – так называемый элементарный заряд. Вокруг ядра в таком атоме движутся Z электронов, общий заряд которых компенсирует заряд ядра, и в целом атом электронейтрален.

Размеры атома ~10-10 м, а размеры ядра ~10-15 м, то есть ядро примерно в 100 000 раз меньше атома. Однако масса ядра в несколько тысяч раз больше суммарной массы электронов, движущихся вокруг ядра.

Однако эта модель противоречила классической физике. Согласно классической электродинамике, вращающийся по орбите электрон должен излучать электромагнитную волну, следовательно, терять энергию и через малое время упасть на ядро, чего в действительности не происходит.

Стремясь разрешить это противоречие, Н. Бор (Нобелевская премия 1922 г.) в 1913 г. создал свою теорию строения простейших (водородоподобных) атомов и ионов, имеющих единственный электрон, в которой он идею Планка о квантовании энергии попытался применить в атомной физике.

Он постулировал, что существуют определенные, так называемые стационарные орбиты, двигаясь по которым вокруг ядра, электрон не излучает и не поглощает энергии. Каждой из стационарных орбит соответствует определенное значение энергии электрона (n=1, 2, 3, …

— номер орбиты).

По правилу квантования орбит, предложенному Бором, стационарными являются те орбиты, при движении по которым момент импульса электрона относительно оси его вращения по орбите (о моменте импульса см. подраздел 6.2) принимает значения, кратные постоянной Планка :

, (9.11)

где n=1, 2, … — номер орбиты.

Используя правило квантования орбит и классическую методику расче-

та движения электрона вокруг ядра под действием силы Кулона, Бор рассчитал значения энергии , которые может иметь электрон в простейших атомах и ионах

, (9.12)

где Z — порядковый номер элемента в таблице Менделеева, =13.6 эВ — энергия ионизации атома водорода (1 эВ = 1.6·10-19 Дж — электронвольт), смысл знака «-» в выражении для энергии объяснен в подразделе 6.3.

Из формулы (9.12) следует, что при увеличении n энергия увеличивается (но уменьшается по модулю), а при .

По второму постулату Бора при скачкообразном (квантовом) переходе электрона с одной орбиты на другую испускается или поглощается квант энергии. Пусть электрон переходит с орбиты номер n , где его энергия была равна , на орбиту номер m, где его энергия станет равна . Если (переход «сверху — вниз»), то , и при переходе испускается квант с энергией

. (9.13)

Из (9.12) и (9.13) следует, что частота излучения, испускаемого при таком переходе, определяется по следующей формуле (обобщенной формуле Бальмера):

. (9.14)

где R=3.29∙1015 Гц — постоянная Ридберга.

Если же (переход «снизу — вверх»), то , и для перехода требуется поглощение кванта энергии

, (9.15)

то есть излучения с частотой

(9.16)

Расчетные значения частот отлично соответствовали данным экспериментов по изучению спектров излучения простейших атомов и ионов, что подтверждало правильность теории Бора.

Принципиально важным моментом теории Бора является идея о квантованности таких физических величин как энергия и момент импульса.

Если в классической механике энергия и момент импульса тела в принципе могут изменяться непрерывно и принимать любые значения от нуля до очень больших величин, то в квантовой механике эти же величины для электрона, вращающегося вокруг ядра, могут принимать только некоторые, «разрешенные» значения, каждое из которых соответствует движению по определенной орбите.

Такие величины, которые могут принимать только определенные дискретные разрешенные значения, называются квантованными, а совокупность этих разрешенных значений называется спектром значений данной величины. Например, набор разрешенных значений энергии образует энергетический спектр электрона в атоме.

На рисунке 9.3 показан энергетический спектр атома водорода (четыре нижних уровня) и некоторые из возможных квантовых переходов. Разделение уровней на подуровни (кроме первого) объясняется в изложенной далее квантовой теории.

Рисунок 9.3 — Энергетический спектр атома водорода. Показаны первые четыре уровня и некоторые из разрешенных переходов: излучательные — обычными стрелками, поглощательные — двойными.

Однако теория Бора была внутренне противоречива, поскольку сочетала в себе элементы новой теории (квантование орбит, испускание и поглощение квантов энергии) с приемами классической механики (электрон рассматривался как материальная точка, движущаяся по траектории вокруг ядра под действием силы электрического притяжения). Полностью непротиворечивую теорию строения атомов можно создать только путем последовательного применения квантовой механики.

Для этого необходимо с помощью уравнения Шредингера, используя в нем формулу (6.21) потенциальной энергии взаимодействия электрона и ядра, определить волновые функции электронов, движущихся в электрическом поле положительно заряженного ядра.

Эта задача точно решается только для водородоподобных атомов и ионов, у которых вокруг ядра движется единственный электрон (атом H, ионы He+, Li2+). Для более сложных атомов и ионов с двумя и более электронами получены приближенные решения.

Основные результаты квантовой теории строения атомов таковы.

Одноэлектронный атом может находиться в определенных квантовых состояниях, каждому из которых соответствует своя -функция, то есть свое пространственное распределение плотности вероятности нахождения электрона.

Состояние электрона, то есть вид -функции, определяется тремя целочисленными параметрами, называемыми квантовыми числами. Главное квантовое число n принимает значения 1, 2, 3 …, орбитальное квантовое число l при заданном значении n принимает значения 0, 1, …

, магнитное квантовое число m при заданном значении l принимает значения .

Для одноэлектронных атомов и ионов их энергия в каждом из возможных состояний определяется только главным квантовым числом. Эти разрешенные значения энергии определяются по формуле (9.12), полученной еще в рамках теории Бора. Главное квантовое число n квантовой теории оказалось аналогом номера орбиты в теории Бора.

Орбитальное квантовое число l определяет численное значение орбитального момента импульса электрона:

, (9.17)

а магнитное число m определяет проекцию вектора орбитального момента импульса на некоторое направление в пространстве (ось OZ), то есть момент импульса относительно оси OZ:

. (9.18)

Некоторые расхождения теории и эксперимента привели к выводу, что электрон, кроме момента импульса, обусловленного вращением по орбите, должен обладать собственным моментом импульса, названным спином (от англ.

spindle — веретено). Аналогично Земле, вращающейся по орбите вокруг Солнца и при этом вращающейся вокруг собственной оси, электрон также движется вокруг ядра и при этом как бы вращается вокруг собственной оси.

Подобно орбитальному моменту импульса, проекция спина на ось OZ также может принимать не любые, а только разрешенные значения:

, (9.19)

где — магнитное спиновое квантовое число, которое для электрона может принимать только два значения = 1/2.

Таким образом, состояние электрона в атоме можно охарактеризовать, задав значения четырех квантовых чисел: .

В многоэлектронных атомах состояние каждого из электронов также характеризует набор значений четырех квантовых чисел , причем значения, которые могут принимать эти квантовые числа, определяются теми же правилами, что и для одноэлектронного атома.

Отметим, что представление о спине частиц как вращении вокруг собственной оси является упрощенным, используемым лишь для пояснения этого понятия.

В действительности спин — собственный момент импульса частицы — является специфическим свойством микрочастиц, не имеющим прямых аналогий в макромире. Кроме электрона спином обладают многие другие частицы, в том числе – фотоны.

Численное значение проекции спина микрочастицы может быть равно нулю, целому (1, 2, 3) или полуцелому (1/2, 3/2) числу квантов действия .

Электроны и другие частицы с полуцелым спином относятся к классу частиц, называемых фермионами. Для фермионов справедлив принцип В. Паули, установленный в 1924-25 гг. (Нобелевская премия 1945 г.): в любой квантовой системе, например — в атоме, не может быть двух и более фермионов, находящихся в одинаковых состояниях, определяемых набором одинаковых значений всех четырех квантовых чисел.

С помощью принципа Паули объясняется распределение электронов по состояниям в многоэлектронных атомах, а тем самым объясняются химические свойства атомов, о чем будет рассказано в главах, посвященных основам химии.

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Источник: https://studopedia.ru/5_49243_kvantovaya-teoriya-stroeniya-atomov-spin-mikrochastits.html

Квантовая теория строения атомов

Квантовая теория строения атомов

Абсолютно все тела живой и неживой природы, несмотря на их строение и разнообразие, включают в себя мельчайшие частицы — атомы. Первым, кто высказал научное предположение об этом, считается философ Древней Греции Демокрит. Именно этот ученый определил атом как мельчайший неделимый элемент, который образует вещество.

Только в конце XIX столетия были сделаны уникальные открытия, которые смогли продемонстрировать сложность строения указанного элемента, распадающейся на более мелкие элементарные частицы. Тем не менее, это определение широко применяется в современной физике и химии, несмотря на несовпадение его этимологии нынешним представлениям о строении атома.

Демокрит утверждал, что если разделить яблоко на две равные половины, а затем одну из них еще на две части, и продолжать осуществлять деление подобным образом до того момента, как объект исследования перестанет быть яблоком, то мельчайшая частица будет выступать в данном случае атомом яблока.

Группу греческих мыслителей, которые поддерживали теорию о существовании аналогичных крошечных неделимых частиц, называли атомистами.

Ничего непонятно?

Попробуй обратиться за помощью к преподавателям

Определение 1

Атомизм — натурфилософская уникальная гипотеза, которая предполагала, что все чувственно материальные вещи состоят из определенных химически неделимых частиц — атомов.

В современной науке вопрос об атомизме считается до сих пор открытым. Некоторые теоретики выступают за принципы атомизма, однако под атомами подразумевают конкретные фундаментальные частицы, которые далее невозможно разделить.

Квантовая гипотеза строения атома

В основе квантовой теории строения атома можно выделить следующие ключевые положения:

  • электрон имеет двойственную природу, следовательно, может вести себя и как волна, и как частица, обладающая определенным зарядом и массой;
  • точно и одновременно измерить скорость и координату для электрона невозможно одновременно, так как, чем точнее будет данный показатель, тем больше неопределенности появится в самой координате;
  • электрон в атоме не может двигаться по определенным траекториям, а может располагаться в любой части ядерного пространства, но возможность его нахождения в разных местах такой среды неодинакова.

Стоит отметить, что пространство вокруг ядра, в котором возможно наблюдать нахождение электрона с большой вероятностью, называют орбиталью.

Правильное формулирование вышеуказанных основ в квантовой теории строения атома составляют суть новой концепции, описывающей постоянное движение микрочастиц, — квантовой механики.

Наибольший вклад в развитие указанной гипотезы внесли такие ученые: немец В.Гейзенберг, француз Л. де Бройль, австриец Э.Шредингер и англичанин П.Дирак.

В результате своей интеллектуальной деятельности каждый из этих физиков был удостоен Нобелевской премии.

Определение 2

Квантовая механика — очень сложная теория с математической точки зрения, процессы которой описывают принципы построения микромира и являются недоступными не только восприятию органами чувств человека, но и воображению.

Основы атомной теории строения вещества

Рисунок 1. Квантовая модель строения атома. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

В начале 1808 года известный физик Дальтон Джон возродил атомизм как научное течение в физике, доказав действительность существования атомов.

Исследователь считал, что мельчайшие частицы представляют собой элементарные химические элементы, которые нельзя заново создать, разделить на более мелкие элементы или же ликвидировать посредством физических превращений.

Любая химическая реакция способна только изменить порядок соборности атомов.

Джон Дальтон представил обществу понятие «атомный вес», а затем первым рассчитал атомные массы целого ряда элементов и разработал первую таблицу их относительных координат, заложив своими работами хорошую основу атомной теории строения элементов.

Физик по праву считается одним из самых уважаемых и знаменитых ученых своего времени, который приобрел невероятную популярность благодаря своим новаторским, уникальным работам в разных сферах знания.

Замечание 1

В 1794 году он смог провести многочисленные исследования и описать цветовую слепоту — дефект зрения, позже официально названный в его честь дальтонизмом.

Ученый также открыл закон парциальных явлений и систему равномерного расширения газов при определенной температуре нагревания, концепцию растворимости частиц в жидкости и установил закон кратных систематических отношений, обнаружив процесс полимеризации на примере бутилена и этилена.

В те времена вопрос о внутреннем строении атомом никогда не возникал, так как эти мельчайшие частицы считались неделимыми. В 1897 г. английский исследователь Дж.

Томсон исследуя катодные световые лучи, определил, что атомы любого химического элемента содержат только отрицательно заряженные частицы, названные электронами.

Огромной заслугой Томсона в области физики стало доказательство того, что все вещества, которые формируют катодные лучи, входят в состав атома и тождественны друг другу.

По утверждениям данного ученого, положительный заряд в атоме занимает практически весь объем этой частицы и распределен в полном объеме с постоянной плотностью, следовательно, в положительно заряженной атмосфере находится сразу несколько электронов, так что атом можно сравнить с кексом, в котором роль изюминок играют электроны.

Планетарная модель атома

Квантовая теория строения атомов имела огромное количество трактовок и методов использования. Электроны, которые входят в состав атомов, в результате критической массы не могут кардинально изменить общую траекторию $α$-частицы. Рассеяние или изменение направления движения элементов, может вызвать только положительно заряженная часть атома с тяжелой массой.

Вскоре стало понятно, что огромное количество $α$-частиц регулярно проходит через тонкий слой металла, однако при этом практически не испытывает отклонений в траектории движения.

Такое небольшое количество частиц постепенно отклоняется на значительные углы, превышающие 30°.

Эти соображения привели ученых к выводу, что атом практически пустой, и вся его положительная энергия сосредоточена в крайне малом объеме. Эту часть атома в науке называют атомным ядром.

Так появилась первая планетарная модель атома:

  • в центре самого атома расположено положительно заряженное ядро, которое занимает ничтожно малую часть пространства внутри этого вещества;
  • весь положительный заряд и практически вся масса атома сосредоточены и взаимосвязаны в его ядре;
  • вокруг ядра постоянно вращаются электроны, количество которых равно положительному заряду ядра.

Однако на основе данной модели невозможно объяснить факт существования самого атома, его стабильность. Ведь хаотичное движение электронов по орбитам происходит с постоянным и немалым ускорением. Быстро движущийся элемент по законам электродинамики обязан терять энергию и постепенно приближаться к ядру.

Законы микромира и квантовых гипотез в начале 20 столетия еще не были представлены обществу и установлены наукой. Бор смог первым сформулировать их в виде трех известных постулатов, дополняющих атом Резерфорда. Его учение впоследствии привело к возникновению стройной концепции движения микрочастиц — квантовой механики.

Источник: https://spravochnick.ru/fizika/kvantovaya_teoriya/kvantovaya_teoriya_stroeniya_atomov/

Booksm
Добавить комментарий